Balance

Une balance est un instrument de mesure du poids, indispensable pour respecter les proportions exactes (notamment en pâtisserie) et très utile pour peser les ingrédients d'un certain volume.
Dans la pratique ménagère, outre la classique balance Roberval à deux plateaux, avec sa série de poids, on utilise surtout des balances automatiques, où la pression se transmet à une aiguille mobile.
Compactes, d'une portée de 2 à 5 kg, ces balances comportent un bol ou une boite amovible et lavable, ce qui permet de s'en servir également pour les liquides.

Historique

Les balances existent depuis l'Antiquité. Nécessitant l'utilisation de poids, elle obligea à règlementer le pesage avec le plus grand soin. Les balances ne sont devenues de véritables instruments de précision qu'au XIX^e siècle.

Antiquité

Dans l'Antiquité, les fonctionnaires vérifiaient la justesse de la pesée des négociants et des commerçants à l'aide d'étalons de mesure. Les premiers étalons, réalisés en cuivre ou en bronze, ont été réalisés en Asie et en Égypte avant l'invention de la monnaie.

A Rome

Divers types d'instruments de pesage existaient déjà, les nôtres en sont les descendants.
La trutina était utilisée pour les grosses pesées, la moneta pour les petites. La statera est la balance que nous appelons aujourd'hui "balance romaine". Elle permet d'utiliser un seul instrument pour effectuer des pesées.
La libra est l'unité de mesure (la livre) et correspond à la masse de la monnaie as, soit environ 327 g. Cette masse se divise en douze onces d'environ 27.29 g.

Moyen âge

Aucun nouveau type de balance n'apparaît, mais le mot "balance" prend sa place dans la langue française.
A la fin du XII^e siècle, Philippe-Auguste remplace l'unité de "poids"-à l'époque, on ne distinguait pas encore masse et poids-(la livre) par le marc, qui restera l'unité de masse jusqu'en 1795. Le marc sera utilisé dans tous les pays d'Europe, mais malheureusement avec des valeurs différentes de masse. En France le marc se divise en huit onces, l'once en huit gros, le gros en trois deniers, le denier en 24 grains.
Au Moyen Âge, le roi percevait, grâce à un droit domanial, un impôt sur les marchandises qui se pesaient sous les halles et qui était appelé droit de pesage.

XVI ^e siècle

C'est la période du développement des boîtes de pesage utilisées pour les petites pesées. Ce sont de petites boîtes en bois, d'environ 15 cm de longueur, contenant une balance à bras égaux montée sur une colonne démontable, ainsi que ses poids. Très répandues chez les commerçants, elles servaient à vérifier la masse des pièces d'or et d'argent en circulation. Les poids contenus dans ces boîtes étaient appelés "poids monétaires". Chacun de ces poids était ajusté sur la masse légale d'une monnaie déterminée et souvent à son effigie.

XVII^e siècle

L'invention de Roberval révolutionne le pesage avec l'idée de poser les plateaux au-dessus du fléau et non plus en dessous.

XVIII^e siècle

Lavoisier perfectionne la balance et les principes de pesage. Il en généralise l'usage dans les laboratoires, après avoir conçu une balance sensible au milligramme.

XIX^e siècle

Le système archaïque des poids et mesures propres à chaque ville ou à chaque région est remis en cause au moment de la Révolution française. Les bienfaits du système métrique, mis en place en France en 1795 et rendu obligatoire le 1 ^er janvier 1840 accompagné d'un étalon unique pour tout le pays, se répandent dans tous les pays progressivement. Les formes des poids étalons sont par ailleurs réglementées :
- un modèle cylindrique surmonté d'une prise en cuivre ;
- un modèle hexagonal ou rectangulaire en fonte de fer, muni d'un anneau.
Les différents types de balance n'ont pas évolué depuis le XVII^e siècle.
Il faudra attendre les améliorations dues à Louis Poinsot en 1821 pour que la balance dite de Roberval se répande très largement. Un arrêté ministériel autorise "l'admission, la vérification et le poinçonnage de la balance Roberval".
La balance Roberval est perfectionnée par Béranger qui parvient à réduire les forces latérales et les frottements en utilisant des petits fléaux secondaires qui remplacent les tiges de force.
C'est également à cette époque qu'apparaît le pont-bascule qui permet, grâce au "levier compensé" inventé en Angleterre, de réaliser de grosses pesées sans utiliser de gros pesons.

XX^e siècle

Les balances "Roberval" et "Béranger sont sur tous les comptoirs des commerçants lorsqu'apparaît, à la fin du XIX^e siècle, la "balance automatique" constituée d'un cadran gradué, circulaire ou en forme d'éventail où l'on peut directement lire la masse de l'objet pesé indiquée par une aiguille, et sans avoir à déplacer de poids manuellement.
Les dernières évolutions sont dues à l'électronique. Dorénavant les balances électroniques affichent ou impriment directement la masse et bien souvent calculent même le prix correspondant. 

XXI^e siècle

La balance la plus sensible au monde, créée en 2012 par des chercheurs de l'Institut Catalan de Nanotechnologie, permet de peser au yoctogramme près.

Fonctionnement

La balance est un instrument de mesure basé sur les lois de la mécanique et qui fonctionne en réalisant l'équilibre en deux forces qui peuvent être de natures différentes, mais dont au moins l'une est un poids. Il existe de fait deux types de balances :

- type 1 : Si les deux forces sont des forces-poids, la balance mesure des masses ; l'accélération de la pesanteur qui agit sur chacune des masses est identique ; en comparant les deux poids, on compare donc les deux masses.

- type 2 : Si l'une des forces n'est pas un poids, mais une force d'un autre type (élastique par exemple), la balance mesure des poids ; on effectue bien la comparaison de deux forces.

Les balances de type 1 sont constituées d'un levier avec lequel on obtient l'équilibre entre les masses, par rapport au point d'appui. Ce sont les balances à deux plateaux, les balances romaines, ...

Les balances de type 2 sont constituées d'un levier avec lequel on obtient l'équilibre  entre les forces, par rapport au point d'appui. Ce sont les dynamomètres (dont les pesons), les balances pneumatiques, les balances électriques, ...

Différents types de balance

La balance ordinaire, composée d'une barre métallique rigide appelée "fléau", traversée en son milieu perpendiculairement à sa longueur par un prisme d'acier appelés "couteau central". Ce prisme repose par une de ses arêtes sur deux petits plans d'acier fixés à l'extrémité d'une colonne qui, par suite, soutient le fléau. Les deux extrémités du fléau servent à supporter : l'un, le corps à peser, l'autre les masses marquées destinées à faire équilibre au corps.

La balance à fléau, dont le principe de fonctionnement est le même que celui de la balance ordinaire. La différence de cette balance est au niveau du fléau qui ne repose pas sur une colonne mais sur une pièce métallique qui permet de  suspendre la balance.

Le trébuchet est une balance ordinaire de type particulier. Précis, il est utilisé pour peser de faibles quantités de substances. Il était également utilisé pour peser les pièces de monnaies. Il est à l'origine de l'expression "en espèces sonnantes et trébuchantes". Ici, le levier à bras égaux est constitué d'un fléau rigide dont le point d'appui est un couteau central, fabriqué dans un matériau très dur, dont la forme est celle d'un prisme triangulaire et dont une arête repose sur un petit plan horizontal du même matériau. Aux extrémités du fléau, deux autres couteaux équidistants du couteau central supportent deux petits plans horizontaux auxquels ont été fixés les étriers portant les deux plateaux. Les arêtes des trois couteaux doivent impérativement être parallèles et coplanaires. Le fléau, sous l'action des forces-poids agissant sur les deux petits plateaux, effectue des oscillations amorties autour de la position d'équilibre. Une aiguille solidaire du fléau permet d'observer, sur une échelle graduée, les oscillations et de déterminer la position d'équilibre.
Les couteaux étant très délicats, on ne leur fait supporter la charge qu'au moment d'effectuer la pesée. Lorsque la balance est en position de repos, un dispositif de blocage actionné manuellement de l'extérieur soulève le couteau central, le sépare du plan d'appui et sépare également les couteaux des plateaux de leur plan d'application.

La balance romaine, dont les deux bras du fléau n'ont pas la même longueur.
Le bras du côté de la masse inconnue a une longueur constante alors que la longueur du bras qui supporte le contre-poids est variable. Dans cette balance on n'obtient pas l'équilibre en égalisant les deux masses, mais en agissant sur la longueur du bras qui porte le contre-poids. L'équilibre se fait lorsqu'en déplaçant ce contre-poids le long de sa tige, le fléau atteint la position horizontale. Le bras le plus long porte des divisions avec indication des masses correspondantes. Il suffit alors de lire la masse de l'objet.
Dans les balances romaines portables, il existe deux points d'accroche séparés, donnant accès, après retournement de l'appareil, à deux échelles différentes, afin de privilégier la précision ou la pesée de masses plus importantes.
La différence de longueur entre les bras permet de peser des charges beaucoup plus importantes que celle du contre-poids. La mesure des masses ne dépend pas du champ de pesanteur.
Encore aujourd'hui, la balance romaine est encore souvent utilisée comme pèse-bébé, comme balance de ménage, et parfois comme pèse-personne. Lorsqu'ils sont en bon état et bien réglés, ces instruments ont une bonne précision.
L'appellation "romaine" vient de son origine arabe, rommäna (grenade, par analogie de forme entre le contre-poids et le fruit).

La balance Roberval ou balance à deux fléaux, doit son nom à son inventeur Gilles Personne, mathématicien et physicien, connu sous le nom de Robeval, car il était originaire de Roberval dans l'Oise. Il eut l'idée de placer les plateaux au-dessus du fléau, alors que depuis des millénaires, ils étaient placés en dessous du fléau.
Cette balance comprend un fléau à trois couteaux, dont les deux extrémités supportent les deux plateaux découverts. Les déplacements des plateaux sont guidé par des tiges verticales liées à un contre-fléau. L'ensemble fléau, contre-fléau, tiges verticales, constitue un parallélogramme articulé. Lorsque les deux bras du fléau sont égaux, des masses égales placées sur les deux plateaux sont en équilibre.
De façon à améliorer la sensibilité des balances à plateaux, les fléaux et les couteaux sont dimensionnés en fonction de la capacité maximale de la balance.  C'est pourquoi la capacité maximale est clairement indiquée sur chaque balance.

La balance à pendule, dont un modèle particulier "Béranger" porte le nom de son fabricant Joseph Béranger.

La balance de changeur, est une petite balance à fléau qui était utilisée au XVIII^e siècle par les changeurs pour peser les pièces de monnaie.

Le peson, est constituée d'un ressort dont on mesure l'allongement grâce à une réglette se déplaçant sur une échelle graduée. Les mesures données sont des forces, et n'indiquent la masse que dans un champ de pesanteur donné. Ces appareils, également soumis à erreurs en cas d'allongement irréversible du ressort, sont interdits pour les transactions commerciales. Ce même principe est utilisé dans de nombreux pèse-personnes mécaniques.

La balance de ménage, a été très utilisée au milieu du XX^e siècle. Il s'agit d'une variante de la balance romaine. Elle est en tôle d'acier laquée, avec un plateau chromé et fonctionne avec deux masses coulissant sur deux réglettes graduées, l'une pour les kilogrammes, l'autre pour les grammes. Ce modèle de balance était également utilisé comme pèse-bébé, après avoir remplacé le plateau par un repose-bébé, constitué de deux supports en matière plastique et d'une alèse en vinyle blanc opaque.

La balance commerciale "semi-automatique"

Le pèse-lettre, comme son nom l'indique sert à peser une lettre et plus généralement un envoi postal. 

La bascule, est comme la balance romaine, une balance à bras inégaux. La charge est disposée sur un plan d'appui agissant sur un bras de levier court. L' équilibre est réalisé en disposant des masses connues sur le plateau situé à l'extrémité du bras libre qui est le plus long. Suivant le rapport entre les longueurs des deux bras, le rapport entre la masse et la charge que l'on pèse peut aller jusque 1 à 100.

La balance électronique, dont le principe de fonctionnement repose sur les variations de caractéristiques électriques de certains matériaux lorsqu'ils sont soumis à des compressions mécaniques. Ces variations électriques sont mesurées et envoyées à un cadran qui permet de donner une indication sur la masse de la charge inconnue qui a comprimé le matériau.
Selon la plus petite masse qu'elles peuvent mesurer, les balances électroniques sont classées en fonction de la plus petite division et de la capacité typique :

Balance analytique :

- Ultra-micro-analytique (0.1 µg/3 g)
- Micro-analytique (0.001 mg/3 g)
- Semi-micro-analytique (0.01 mg/30 g)
- Macro-analytique (0.1 mg/160 g)

Balance de précision (1 mg/160 g- 60 kg)

D'autres types de balance

Il existe de nombreux autres types de balances comme le pèse-personne, le pèse-bébé, la thermo-balance, la balance hydrostatique, la balance à oeufs, la balance à grains, le pont-bascule, le système de pesée en marche (SPM), la balance compteuse.

Les poids

Les poids marqués

En terme scientifique, on les appelle "'masses marquées". On utilise également les termes de "poids de référence" et "boite de poids".

Forme et matière

Formes et matières varient pour leur fabrication: fonte, cuivre, laiton sont toutefois les métaux les plus utilisés.
Les poids en fonte sont une forme de pyramide tronquée quadrangulaire pour les poids de plus de 10 kg, et une forme de pyramide tronquée hexagonale pour les poids de 10 kg à 50 g.
Les poids en cuivre sont cylindriques et surmontés d'un bouton pour les saisir. Ils peuvent être en forme de godets s'emboitant les uns dans les autres. C'est ce que l'on appelle la "pile de Charlemagne".
Pour les pesées de petites quantités de substance, les divisions du gramme (1/2 gramme à 1/2 milligramme) sont de petites lamelles, généralement en aluminium, dont un coin est plié pour faciliter la saisie.

Le marquage du fabricant

Les fabricants, maîtres balanciers, sont habilités à marquer leurs poids d'un poinçon permettant de les identifier. Ce poinçon est généralement constitué de trois lettres ou d'un sigle.

Les poinçons de l'État

Un service de l'État (jadis nommé "Service des poids et mesures") vérifie l'exactitude des balances et poids utilisés dans le commerce. Au moment de la création de la balance ou du poids, lors de la vérification "primitive", un poinçon est porté sur l'objet. Ce poinçon est actuellement constitué de deux mains entrelacées, il est appelé "marque à la bonne foi".
Par ailleurs, ce service effectue des vérifications chaque année et, lors de cette vérification "périodique", porte sur l'objet un poinçon constitué d'une lettre. Cette lettre change chaque année.
De nos jours, ce poinçon est remplacé par une vignette verte indiquant la date de validité du contrôle.